PCB布線及表面處理工藝大盤點(diǎn)TOP8
PCB中文名稱為印制電路板,又稱印刷電路板、印刷線路板,是重要的電子部件,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的,故被稱為“印刷”電路板。隨著PCB尺寸要求越來(lái)越小,器件密度要求越來(lái)越高,PCB設(shè)計(jì)的難度也越來(lái)越大。如何實(shí)現(xiàn)PCB高的布通率以及縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,在這筆者談?wù)剬?duì)PCB規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計(jì)技巧。
在開始布線之前應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真的分析以及對(duì)工具軟件進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)置,這會(huì)使設(shè)計(jì)更加符合要求。
1 確定PCB的層數(shù)
電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計(jì)初期確定。布線層的數(shù)量以及層疊(STack-up)方式會(huì)直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度,實(shí)現(xiàn)期望的設(shè)計(jì)效果。目前多層板之間的成本差別很小,在開始設(shè)計(jì)時(shí)最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布。
2 設(shè)計(jì)規(guī)則和限制
要順利完成布線任務(wù),布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。要對(duì)所有特殊要求的信號(hào)線進(jìn)行分類,每個(gè)信號(hào)類都應(yīng)該有優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)越高,規(guī)則也越嚴(yán)格。規(guī)則涉及印制線寬度、過(guò)孔的最大數(shù)量、平行度、信號(hào)線之間的相互影響以及層的限制, 這些規(guī)則對(duì)布線工具的性能有很大影響。
3 組件的布局
在最優(yōu)化裝配過(guò)程中,可制造性設(shè)計(jì)(DFM)規(guī)則會(huì)對(duì)組件布局產(chǎn)生限制。如果裝配部門允許組件移動(dòng),可以對(duì)電路適當(dāng)優(yōu)化,更便于自動(dòng)布線。所定義的規(guī)則和約束條件會(huì)影響布局設(shè)計(jì)。自動(dòng)布線工具一次只會(huì)考慮一個(gè)信號(hào),通過(guò)設(shè)置布線的約束條件以及設(shè)定可布信號(hào)線的層,可以使布線工具能像設(shè)計(jì)師所設(shè)想的那樣完成布線。
比如,對(duì)于電源線的布局:
①在PCB 布局中應(yīng)將電源退耦電路設(shè)計(jì)在各相關(guān)電路附近, 而不要放置在電源部分,否則既影響旁路效果, 又會(huì)在電源線和地線上流過(guò)脈動(dòng)電流,造成竄擾;
②對(duì)于電路內(nèi)部的電源走向,應(yīng)采取從末級(jí)向前級(jí)供電,并將該部分的電源濾波電容安排在末級(jí)附近;
③對(duì)于一些主要的電流通道,如在調(diào)試和檢測(cè)過(guò)程中要斷開或測(cè)量電流,在布局時(shí)應(yīng)在印制導(dǎo)線上安排電流缺口。
另外,要注意穩(wěn)壓電源在布局時(shí),盡可能安排在單獨(dú)的印制板上。當(dāng)電源與電路合用印制板時(shí),在布局中,應(yīng)該避免穩(wěn)壓電源與電路元件混合布設(shè)或是使電源和電路合用地線。因?yàn)檫@種布線不僅容易產(chǎn)生干擾,同時(shí)在維修時(shí)無(wú)法將負(fù)載斷開,到時(shí)只能切割部分印制導(dǎo)線,從而損傷印制板。
雖然目前來(lái)看,PCB的表面處理工藝方面的變化并不是很大,好像還是比較遙遠(yuǎn)的事情,但是應(yīng)該注意到:長(zhǎng)期的緩慢變化將會(huì)導(dǎo)致巨大的變化。在環(huán)保呼聲愈來(lái)愈高的情況下,PCB的表面處理工藝未來(lái)肯定會(huì)發(fā)生巨變。
表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能。由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在,不大可能長(zhǎng)期保持為原銅,因此需要對(duì)銅進(jìn)行其他處理。雖然在后續(xù)的組裝中,可以采用強(qiáng)助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物,但強(qiáng)助焊劑本身不易去除,因此業(yè)界一般不采用強(qiáng)助焊劑。
現(xiàn)在有許多PCB表面處理工藝,常見的是熱風(fēng)整平、有機(jī)涂覆、化學(xué)鍍鎳/浸金、浸銀和浸錫這五種工藝,下面將逐一介紹。
1、熱風(fēng)整平(噴錫)
熱風(fēng)整平又名熱風(fēng)焊料整平(俗稱噴錫),它是在PCB表面涂覆熔融錫(鉛)焊料并用加熱壓縮空氣整(吹)平的工藝,使其形成一層既抗銅氧化,又可提供良好的可焊性的涂覆層。熱風(fēng)整平時(shí)焊料和銅在結(jié)合處形成銅錫金屬間化合物。PCB進(jìn)行熱風(fēng)整平時(shí)要沉在熔融的焊料中;風(fēng)刀在焊料凝固之前吹平液態(tài)的焊料;風(fēng)刀能夠?qū)~面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。
2、有機(jī)可焊性保護(hù)劑(OSP)
OSP是印刷電路板(PCB)銅箔表面處理的符合RoHS指令要求的一種工藝。 OSP是Organic Solderability PreservaTIves的簡(jiǎn)稱, 中譯為有機(jī)保焊膜,又稱護(hù)銅劑,英文亦稱之Preflux。 簡(jiǎn)單地說(shuō),OSP就是在潔凈的裸銅表面上,以化學(xué)的方法長(zhǎng)出一層有機(jī)皮膜。
這層膜具有防氧化,耐熱沖擊,耐濕性,用以保護(hù)銅表面于常態(tài)環(huán)境中不再繼續(xù)生銹 (氧化或硫化等);但在后續(xù)的焊接高溫中,此種保護(hù)膜又必須很容易被助焊劑所迅速清除,如此方可使露出的干凈銅表面得以在極短的時(shí)間內(nèi)與熔融焊錫立即結(jié)合 成為牢固的焊點(diǎn)。
3、全板鍍鎳金
板鍍鎳金是在PCB表面導(dǎo)體先鍍上一層鎳后再鍍上一層金,鍍鎳主要是防止金和銅間的擴(kuò)散。現(xiàn)在的電鍍鎳金有兩類:鍍軟金(純金,金表面看起來(lái)不亮)和鍍硬金(表面平滑和硬,耐磨,含有鈷等其他元素,金表面看起來(lái)較光亮)。軟金主要用于芯片封裝時(shí)打金線;硬金主要用在非焊接處的電性互連。
4、沉金
沉金是在銅面上包裹一層厚厚的、電性良好的鎳金合金,這可以長(zhǎng)期保護(hù)PCB;另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對(duì)環(huán)境的忍耐性。此外沉金也可以阻止銅的溶解,這將有益于無(wú)鉛組裝。
5、沉錫
由于目前所有的焊料都是以錫為基礎(chǔ)的,所以錫層能與任何類型的焊料相匹配。沉錫工藝可以形成平坦的銅錫金屬間化合物,這個(gè)特性使得沉錫具有和熱風(fēng)整平一樣的好的可焊性而沒(méi)有熱風(fēng)整平令人頭痛的平坦性問(wèn)題;沉錫板不可存儲(chǔ)太久,組裝時(shí)必須根據(jù)沉錫的先后順序進(jìn)行。
6、沉銀
沉銀工藝介于有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/沉金之間,工藝比較簡(jiǎn)單、快速;即使暴露在熱、濕和污染的環(huán)境中,銀仍然能夠保持良好的可焊性,但會(huì)失去光澤。沉銀不具備化學(xué)鍍鎳/沉金所具有的好的物理強(qiáng)度因?yàn)殂y層下面沒(méi)有鎳。
7、化學(xué)鎳鈀金
化學(xué)鎳鈀金與沉金相比是在鎳和金之間多了一層鈀,鈀可以防止出現(xiàn)置換反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象,為沉金作好充分準(zhǔn)備。金則緊密的覆蓋在鈀上面,提供良好的接觸面。
8、電鍍硬金
為了提高產(chǎn)品耐磨性能,增加插拔次數(shù)而電鍍硬金。
隨著用戶要求愈來(lái)愈高,環(huán)境要求愈來(lái)愈嚴(yán),表面處理工藝愈來(lái)愈多,到底該選擇那種有發(fā)展前景、通用性更強(qiáng)的表面處理工藝,目前看來(lái)好像有點(diǎn)眼花繚亂、撲朔迷離。PCB表面處理工藝未來(lái)將走向何方,現(xiàn)在亦無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。不管怎樣,滿足用戶要求和保護(hù)環(huán)境必須首先做到!0次